호남고속철도 터널 단면선정을 위한 미기압파 특성 분석에 관한 연구 A study on the characteristics of Micro Pressure wave for the optimum cross-section design in Honam high speed railway원문보기
고속열차의 터널 진입시 발생하는 압력파는 압축파의 형태로 터널내부를 전파하여 터널출구에 도달할 때에는 펄스형태의 충격성 압출파로 방사된다. 터널에서 방사된 압축파는 특정한 방향으로 전파되는 것이 아니라 전방향으로 확산되며, 압축파의 크기가 크면 주변 환경에 대한 환경소음 및 진동문제를 야기하게 되는데, 이를 미기압파(Micro Pressure wave)라 한다. 이러한 미기압파는 열차의 주행속도, 터널연장, 터널 및 열차의 단면적 등에 의존하므로 고속철도 터널의 적정단면을 결정하기 위하여 반드시 고려해야 된다. 이에, 본 논문에서는 호남고속철도 단면결정사례를 통하여 단면규모별 수치해석결과에 의한 미기압 기준 만족여부 및 최적단면선정과정을 소개하였다. 호남고속철도의 단면결정사례에서는 경부고속철도 화신 5 터널에서 터널내 압력 및 터널 출구에서의 미기압을 실측하여, 수치시뮬레이션의 입력조건으로 사용된 각종 매개변수 등의 적정성을 비교 검증하였으며, 모형실험을 통하여 합리적인 미기압과 저감대책을 제시하였다.
고속열차의 터널 진입시 발생하는 압력파는 압축파의 형태로 터널내부를 전파하여 터널출구에 도달할 때에는 펄스형태의 충격성 압출파로 방사된다. 터널에서 방사된 압축파는 특정한 방향으로 전파되는 것이 아니라 전방향으로 확산되며, 압축파의 크기가 크면 주변 환경에 대한 환경소음 및 진동문제를 야기하게 되는데, 이를 미기압파(Micro Pressure wave)라 한다. 이러한 미기압파는 열차의 주행속도, 터널연장, 터널 및 열차의 단면적 등에 의존하므로 고속철도 터널의 적정단면을 결정하기 위하여 반드시 고려해야 된다. 이에, 본 논문에서는 호남고속철도 단면결정사례를 통하여 단면규모별 수치해석결과에 의한 미기압 기준 만족여부 및 최적단면선정과정을 소개하였다. 호남고속철도의 단면결정사례에서는 경부고속철도 화신 5 터널에서 터널내 압력 및 터널 출구에서의 미기압을 실측하여, 수치시뮬레이션의 입력조건으로 사용된 각종 매개변수 등의 적정성을 비교 검증하였으며, 모형실험을 통하여 합리적인 미기압과 저감대책을 제시하였다.
When the train enters into a tunnel a high speed, pressure waves are generated inside the tunnel. The pressure waves at propagate in a form of compression wave toward the tunnel exit and a fraction of the compression waves that arrives at the exit of the tunnel are discharged to outside of the tunne...
When the train enters into a tunnel a high speed, pressure waves are generated inside the tunnel. The pressure waves at propagate in a form of compression wave toward the tunnel exit and a fraction of the compression waves that arrives at the exit of the tunnel are discharged to outside of the tunnel and the remainder is reflected into the tunnel as expansion waves. The compression waves emitted from the tunnel does not radiate in a specific direction but in all directions. If the amplitude of the compression wave is great, it causes noise and vibration, and it is called "Micro-Pressure Wave." "Micro-Pressure Wave" must be considered as a decision for the optimum tunnel cross-section as the amplitude of the compression wave depends on train speed, tunnel length, area of tunnel and train. Therefore, this paper introduces the case study of Micro-Pressure Wave characteristics for determination of tunnel cross section in Honam high speed railway, the pressure inside the tunnel and the micro-pressure waves at tunnel exit were measured at Hwashin 5 tunnel in Kyungbu HSR line. At the same time. a test of train operation model was performed and then the measurement results and test results were compared to verify that the various parameters used as input conditions for the numerical simulations, which were appropriate. Also a model test was performed, in order to analysis of the Micro-Pressure Wave Mitigation Performance by Type of Hood at Entrance Portal.
When the train enters into a tunnel a high speed, pressure waves are generated inside the tunnel. The pressure waves at propagate in a form of compression wave toward the tunnel exit and a fraction of the compression waves that arrives at the exit of the tunnel are discharged to outside of the tunnel and the remainder is reflected into the tunnel as expansion waves. The compression waves emitted from the tunnel does not radiate in a specific direction but in all directions. If the amplitude of the compression wave is great, it causes noise and vibration, and it is called "Micro-Pressure Wave." "Micro-Pressure Wave" must be considered as a decision for the optimum tunnel cross-section as the amplitude of the compression wave depends on train speed, tunnel length, area of tunnel and train. Therefore, this paper introduces the case study of Micro-Pressure Wave characteristics for determination of tunnel cross section in Honam high speed railway, the pressure inside the tunnel and the micro-pressure waves at tunnel exit were measured at Hwashin 5 tunnel in Kyungbu HSR line. At the same time. a test of train operation model was performed and then the measurement results and test results were compared to verify that the various parameters used as input conditions for the numerical simulations, which were appropriate. Also a model test was performed, in order to analysis of the Micro-Pressure Wave Mitigation Performance by Type of Hood at Entrance Portal.
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문제 정의
출구압축파의 압력기울기는 터널입구에서 발생하는 압축파의 강도 및 터널내 전파특성에 영향을 받는다. 따라서 본 논문에서는 이론적으로 계산되는 입구부 압력기울기를 경계조건으로 하여 터널내 압력파의 전파에 따른 압력기울기의 변화 특성과 단면적 및 터널연장에 따른 출구부 압력기울기를 수치해석을 통하여 예측하였다.
따라서, 본 논문에서는 호남고속철도에서 적용된 미기압 허용기준을 적용하여 미기압 문제의 발생여부를 검토하였으며, 미기압 검토결과를 바탕으로 미기압파 저감대책인 터널입구부 후드설치 방식에 대하여 제시하였다. 이를 통하여 얻어낸 결론을 요약하면 다음과 같다.
따라서, 본 논문에서는 호남고속철도의 최적단면결정사례를 통하여 열차의 주행속도, 터널 연장, 터널 및 열차의 단면적 등이 미기압파에 미치는 영향을 검토하였으며, 터널단면적을 작게 하면서 압축파의 압력기울기를 저감할 수 있는 저비용의 미기압파 저감대책인 터널입구부 후드설치 방식에 대하여 제시하였다.
이에, 본 논문에서는 미기압파 저감대책을 위해 터널 입구 후드에 대하여 분석하였으며 그 결과를 토대로 가장 효과적인 후드형상을 제시하였다.
제안 방법
2) 일반적으로 미기파 저감대책으로 터널입구부에 후드를 설치하여 열차진입시 압축파의 압력기울기를 감소하기 위한 대책을 적용하고 있으며, 본 논문에서는 한국철도기술원에서 개발한 한국형 터널입구 후드를 비롯하여 총 4종류의 후드에 대한 미기압 저감성능을 측정하였다. 그 결과, A, B, C형 후드의 경우에는 저감율이 평균 42 %로 거의 동일하며, D형 후드를 적용하는 경우 저감율이 평균 55.
출구의 압축파의 압력기울기는 터널입구에서 발생하는 압축파의 강도 및 터널내 전파특성에 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 이론적으로 계산되는 압력기울기를 경계조건으로 하여 수치해석을 통해서 터널연장에 따른 출구부에서 압축파의 압력기울기를 예측하였다.
따라서 호남고속철도의 미기압 기준도 경부고속철도와 동일하게 “터널 출구 20 m 위치에서 20 Pa 이하”를 기준으로 하되, 터널 출구 20 m 위치에서 20 Pa을 초과하더라도 터널주변 민가 등의 피해가 예상되는 대상물의 위치를 기준으로 미기압 저감대책의 필요성 여부를 결정하도록 적용하였다.
따라서, 미기압파 분석은 터널입구에서의 압축파의 압력기울기, 터널내에서 전파되는 압축파의 압력기울기, 출구압축파의 압력기울기, 차량의 형상, 출구부 갱문의 조건, 열차속도, 터널 연장 등을 매개변수로 하여 수행하였다.
열차의 터널진입시 발생하는 압력파는 비교적 긴 터널의 경우 압력파의 전면이 수직으로 되는 “파의 비선형 효과”에 의하여 터널내부를 전파하는 동안 커진다. 따라서, 터널의 연장을 변화시켜 미기압파를 분석하였으며, 열차는 현재 경부고속철도에서 운행되는 KTX I 열차와 추후 호남 고속철도에 운행예정인 Ⅱ열차에 대하여 분석하였다.
본 논문에서는 전술한 바와 같이 출구압축파의 압력기울기 예측을 수치해석적 방법에 의해 도출하는 [방법2]를 적용하여 갱구부 20 m지점에서 미기압을 검토하였다. 그림 3은 [방법 1,2,3]에 의해 산정된 미기압파의 강도 차이를 보여준다.
실험조건은 표 7.과 같이 터널단면적 95.1 ㎡에 대하여 터널연장 1 km, 0.75 km, 0.5 km에 대해서 열차의 주행속도를 275, 300, 325, 350 km/h로 변화시켜 총 12회의 측정을 실시하였다.
이에 본 연구에서는 모형실험을 통하여 4종류의 후드설치 방식에 대하여 미기압 저감효과를 측정하였다.
일반적으로 미기압파 예측방법은 아래 3가지 방법이 있으며, 본 논문에서는 출구압축파의 압력기울기 예측을 수치해석적 방법에 의해 도출하는 [방법2]를 적용하여 갱구부 20 m지점에서 미기압을 검토하였으며, [방법 1, 3]에 의해 예측된 결과와 비교하여 적정성 여부를 판단하였다.
터널갱구 끝 지점으로 부터 20 m이격된 지점을 기준으로 하여 각 단면에 따른 해석조건별로 주행속도 300 km/h, 350 km/h에 대하여 미기압파의 강도를 계산하였으며 그 결과는 표 6. 과 같다.
대상 데이터
열차선두부의 형상은 입구압축파의 압력기울기에 영향을 미치므로 형상에 따른 경험상수인 k는 적합한 값을 대입하여야 한다. 본 논문에서는 실제 KTX I의 선두부 형상을 고려한 k값을 도출하기 위하여 모형실험과 경부고속철도 화신 5 터널 현장에서 실측을 수행하였다.
이론/모형
수치해석 프로그램은 Fluent를 이용하였으며 2D-axisymmetric, segregated, inviscid 모델에 의해서 시뮬레이션를 수행하였다.
성능/효과
1) 미기압파 예측 결과, 설계속도 350 km/h 에 대해서는 모든 터널에 미기압 저감대책이 필요하며, 300 km/h에 대해서는 터널 단면적별로 1~2 km 이상의 터널에 대해 미기압 저감대책을 적용해야 하는 것으로 분석되었다.
3) 호남고속철도 터널단면 선정을 위한 공기역학적 검토 결과, 1 km 내외 터널연장에서 미기압 해소를 위해서는 95.1 ㎡의 터널단면적이 필요한 것으로 검토되었다. 따라서 최소 터널 내공 단면적은 95.
은 후드타입별 터널출구 미기압 저감계수 및 저감율을 보여주며 터널연장이나 열차의 주행속도에는 관계없이 최소 41 %에서 최대 55 %정도로 나타나고 있다. A, B, C형 후드의 경우에는 저감율이 거의 동일하여 평균 42 %정도 저감하는 것으로 나타나고, D형 후드를 적용하는 경우에 저감율이 가장 크게 나타나 연장에 따라서 다소 차이는 있으나 평균 55.2 %의 저감효과가 있는 것으로 나타나고 있다.
결과적으로 모형실험 결과를 바탕한 후드형태는 미기압 저감성능이 가장 우수하고, 구조가 단순하여 시공측면에서도 유리한 D형 후드를 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
결론적으로 열차속도 300 km/h에 대해서는 터널단면적 90.3 ~ 100.1 ㎡ 에서는 터널연장1 km 까지 미기압 기준을 만족하고, 107.9 ㎡에서는 터널연장 2 km 까지 미기압 기준을 만족하는 것으로 분석되었다.
2) 일반적으로 미기파 저감대책으로 터널입구부에 후드를 설치하여 열차진입시 압축파의 압력기울기를 감소하기 위한 대책을 적용하고 있으며, 본 논문에서는 한국철도기술원에서 개발한 한국형 터널입구 후드를 비롯하여 총 4종류의 후드에 대한 미기압 저감성능을 측정하였다. 그 결과, A, B, C형 후드의 경우에는 저감율이 평균 42 %로 거의 동일하며, D형 후드를 적용하는 경우 저감율이 평균 55.2 %로 가장 크게 나타나 저감효과가 가장 큰 것으로 분석되었다.
따라서 갱구부 20 m지점에 지장물이 존재할 경우, 열차가 300 km/h의 속도로 주행시 연장 1,000 m 이상의 터널은 미기압파 저감대책을 수립하여야 하며, 주행속도가 350 km/h 인 경우에는 모든 터널에 대하여 미기압파 저감대책을 수립하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
따라서 설계속도 350 km/h 에 대해서는 모든 터널에 미기압 저감대책이 필요하며, 300 km/h에 대해서는 터널 단면적별로 1 ~ 2 km 이상의 터널에 대해 미기압 저감대책을 적용해야 하는 것으로 분석되었다.
1 ㎡의 터널단면적이 필요한 것으로 검토되었다. 따라서 최소 터널 내공 단면적은 95.1 ㎡ 이상을 적용하되 터널내에 설치되는 공동구 및 대피통로, 배수구, 전차선 설치높이, 선로중심간격 등의 시설 공간 확보를 만족할 수 있도록 최적단면을 선정하였으며 최종 96.7 ㎡의 터널 내공단면적으로 적용되었다.
는 Fluent를 이용한 수치해석 결과의 타당성을 검토하기 위해서 해석결과와 경부고속철도 화신 5 터널의 현장 실측결과를 비교하여 나타낸 것이다. 미기압 측정값과 해석결과값이 0.5 Pa 내외의 미소한 차이를 보여 해석결과의 신뢰도가 높은 것으로 분석되었다. 그림 5.
후속연구
끝으로, 사회가 발전함에 따라 주거환경권에 대한 민원 요구가 점점 증가 하는 추세이며, 차량의 운행속도 증가에 따라 미기압파 및 이에 후속되는 2차진동의 문제가 점점 더 크게 대두될 것으로 예상된다. 따라서 향후 국내 현황에 맞는 미기압파 기준설정 및 전두부형상 개선 등 차량의 성능향상과 함께 터널입구 후드 등 미기압 저감을 위한 공기역학적인 연구가 활발히 이루어지기를 기대한다.
또한, 실제터널에서 열차의 운행속도는 설계속도보다 낮으므로 미기압 문제는 훨씬 적을 것으로 예상되며, 경부고속철도와 마찬가지로 열차의 실제 운행속도를 기준으로 할 경우에는 대부분의 터널에서 미기압 문제는 발생하지 않을 것으로 판단된다. 따라서 터널 갱구 주변에 민가가 근접하여 있는 경우와 멀리 떨어진 경우를 구분하여 민가 위치에서의 미기압 크기에 따라 상황에 맞추어 미기압 저감대책을 적용하되, 향후 차량의 성능 향상으로 열차의 실제 운행 속도가 증가할 수 있으므로 이러한 점도 고려하여 최종 결정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
끝으로, 사회가 발전함에 따라 주거환경권에 대한 민원 요구가 점점 증가 하는 추세이며, 차량의 운행속도 증가에 따라 미기압파 및 이에 후속되는 2차진동의 문제가 점점 더 크게 대두될 것으로 예상된다. 따라서 향후 국내 현황에 맞는 미기압파 기준설정 및 전두부형상 개선 등 차량의 성능향상과 함께 터널입구 후드 등 미기압 저감을 위한 공기역학적인 연구가 활발히 이루어지기를 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열차가 고속으로 터널에 진입 시 생기는 현상은 무엇인가?
열차가 고속으로 터널에 진입하면 터널 내부에는 압력파가 발생하며, 압력파는 압축파의 형태로 음속으로 터널출구로 진행하여 일부는 팽창파의 형태로 반사되어 터널내부로 전파되며, 나머지는 펄스형태의 충격성 압축파로 출구로 방사된다.
터널출구에서 방사된 압축파의 크기가 크면 어떤 문제를 야기하는가?
터널출구에서 방사된 압축파는 특정한 방향으로 전파되는 것이 아니라 전방향으로 확산되며, 압축파의 크기가 크면 주변 환경에 대한 환경소음 및 진동문제를 야기하게 되는데, 이를 미기압파(Micro Pressure wave)라 한다. 또한, 터널내부로 전파된 압축파는 터널 내부압력의 급격한 변화를 유발시켜, 객차내 승객에게 이명현상을 일으키게 한다.
터널출구에서 방사된 압축파가 객차내 승객에게 미치는 현상은 무엇인가?
터널출구에서 방사된 압축파는 특정한 방향으로 전파되는 것이 아니라 전방향으로 확산되며, 압축파의 크기가 크면 주변 환경에 대한 환경소음 및 진동문제를 야기하게 되는데, 이를 미기압파(Micro Pressure wave)라 한다. 또한, 터널내부로 전파된 압축파는 터널 내부압력의 급격한 변화를 유발시켜, 객차내 승객에게 이명현상을 일으키게 한다.
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